WRF大氣模式與臺風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诔瑥?qiáng)臺風(fēng)“山竹”過程重構(gòu)中的比較分析

李心雨，楊 昀, 2, 3，李自如，王惠群，管衛(wèi)兵, 2, 3，何 杰

(1.自然資源部第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519080；3.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；4.中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；5.中國海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；6.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

臺風(fēng)是一種強(qiáng)烈的災(zāi)害性海洋天氣，我國東南沿海地區(qū)多年來頻受西北太平洋臺風(fēng)災(zāi)害的影響[1-2]，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，臺風(fēng)氣壓場和風(fēng)場模型的研究對重要致災(zāi)過程臺風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)具有重要的意義。臺風(fēng)模擬主要有兩種方法，一種是利用臺風(fēng)實(shí)測數(shù)據(jù)將風(fēng)場和氣壓場通過數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂坍嫵鰜?，另一種是通過數(shù)值模式對臺風(fēng)初始場進(jìn)行時間積分獲得臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場來實(shí)現(xiàn)。對于前者，近年來已有眾多科學(xué)家對臺風(fēng)氣壓場與風(fēng)場的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究分析，提出了各種理論的、經(jīng)驗(yàn)的或者半經(jīng)驗(yàn)半理論的臺風(fēng)氣壓場模型，著名的有Myers、藤田、高橋、Jelesninaski和Bjerknes模型等圓對稱氣壓模型[3]。計(jì)算圓對稱的靜止臺風(fēng)風(fēng)場模型主要有兩種：一是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過將最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑等臺風(fēng)要素，代入經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式直接求解出臺風(fēng)風(fēng)場；二是理論模型，先求解出臺風(fēng)氣壓場，而后根據(jù)梯度風(fēng)原理推算出臺風(fēng)風(fēng)場。但實(shí)際的臺風(fēng)是不斷移動的，右側(cè)風(fēng)力較大，具有一個不對稱風(fēng)場。為了表示非對稱風(fēng)場的分布，上野武夫等將移行臺風(fēng)風(fēng)場看作一個與靜止臺風(fēng)梯度風(fēng)有關(guān)的內(nèi)部風(fēng)場和一個與引導(dǎo)氣流有關(guān)的環(huán)境風(fēng)場的矢量合成[4]。目前藤田—高橋嵌套氣壓場模型在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，黃華[3]根據(jù)梯度風(fēng)公式及Ueno公式較好地模擬了藤田—高橋公式下的臺風(fēng)氣壓場及風(fēng)場分布。下文中對于臺風(fēng)氣壓場和風(fēng)場的經(jīng)驗(yàn)?zāi)M即參照此經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

臺風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵子趹?yīng)用，具有較強(qiáng)的區(qū)域性，但普適性不夠。對于后者臺風(fēng)數(shù)值模式模擬來說，WRF(weather research and forecasting model)中尺度氣象研究與預(yù)報(bào)模式是目前重要的模擬手段。近年來WRF模式日漸成為模擬臺風(fēng)的有效方法之一。WRF模式使用完全可壓縮非靜力平衡歐拉方程，并提供了大量的物理參數(shù)化方案和數(shù)值方法[5]，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測和重現(xiàn)真實(shí)大氣環(huán)境下的臺風(fēng)氣壓場和風(fēng)場。曾祥鋒[6]利用WRF大氣模式，通過選用并組合不同的邊界層方案和積云對流參數(shù)化方案，模擬分析了9914臺風(fēng)“約克”和1713臺風(fēng)“天鴿”，并與兩個臺風(fēng)的實(shí)際風(fēng)場進(jìn)行了對比，通過對比分析臺風(fēng)路徑、中心氣壓、最大風(fēng)速等觀測數(shù)據(jù)，證實(shí)了WRF大氣模式模擬臺風(fēng)的可行性。王義凡[7]基于WRF大氣模式下不同網(wǎng)格精度、微物理方案和海表面通量方案，對西北太平洋地區(qū)三個具有代表性的歷史強(qiáng)化型臺風(fēng)的近?？焖購?qiáng)化過程和登陸后強(qiáng)度弱化階段進(jìn)行了模擬，同時利用實(shí)測數(shù)據(jù)對臺風(fēng)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析得出了最佳的模擬方案。

WRF大氣模式相對比較復(fù)雜，而臺風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥s十分便捷，此外二者在重構(gòu)臺風(fēng)風(fēng)壓場中的精度不同，適應(yīng)性也不同。目前，對于中國近海臺風(fēng)過程的模擬研究多集中于其中一種模擬方法及其優(yōu)化改進(jìn)，但對于結(jié)合數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模式兩種模擬手段并進(jìn)行對比及優(yōu)劣性分析的研究還很有限。因此，有必要結(jié)合兩種模擬方法開展對比研究，為預(yù)報(bào)和研究中國海域臺風(fēng)及其所引起的風(fēng)暴潮等災(zāi)害提供參考和借鑒。

1 研究背景、資料和方法

1.1 研究背景

珠江口位于廣東省中南部，臨近西北太平洋，是三角洲網(wǎng)河和殘留河口灣并存的河口，熱帶氣旋活動頻繁發(fā)生[8]。本文研究的1822號臺風(fēng)“山竹”于2018年9月7日20點(diǎn)在西太平洋洋面上生成，隨后逐漸增強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，16日17時以強(qiáng)臺風(fēng)形式在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力14級，中心最低氣壓955 hPa[9]。

1.2 機(jī)場站點(diǎn)資料

站點(diǎn)數(shù)據(jù)采用機(jī)場的氣象報(bào)文資料(METAR)，時間分辨率為0.5 h。站點(diǎn)選取珠江口附近三大機(jī)場：香港國際機(jī)場(ICAO：VHHH，113.92°E，22.31°N)、澳門國際機(jī)場(ICAO：VMMC，113.57°E，22.17°N)和深圳寶安機(jī)場(ICAO：ZGSZ，113.82°E，22.64°N)。

1.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

臺風(fēng)資料數(shù)據(jù)使用中國氣象局(CMA)上海臺風(fēng)研究所的臺風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)，時間分辨率為6 h，在臺風(fēng)登陸前24小時及在我國陸地活動期間，時間頻次加密為3小時一次。

1.3.1 臺風(fēng)氣壓場的選取

臺風(fēng)理論氣壓模型易于應(yīng)用，國內(nèi)外比較常見的是藤田、高橋的圓形氣壓場模型。王喜年[10]經(jīng)過氣壓場模式無因次結(jié)果分析后認(rèn)為：藤田公式在0≤r≤2R時可以較好地反映臺風(fēng)氣壓的變化，高橋公式在2R≤r<∞時反映臺風(fēng)氣壓的變化更佳。所以將藤田、高橋兩種公式嵌套結(jié)合起來計(jì)算同一臺風(fēng)域中的氣壓場分布，即：

藤田公式：

(1)

高橋公式：

(2)

式中：P∞為臺風(fēng)外圍氣壓(即正常氣壓)；P0為臺風(fēng)中心氣壓；P(r)為距臺風(fēng)中心r距離處的氣壓；R為最大風(fēng)速半徑，定義為臺風(fēng)云墻附近最大風(fēng)速Vmax出現(xiàn)處與臺風(fēng)中心的徑向距離。

1.3.2 臺風(fēng)風(fēng)場的計(jì)算

移行臺風(fēng)風(fēng)場通常由兩部分組成：第一部分是與靜止臺風(fēng)梯度風(fēng)有關(guān)的風(fēng)場，即臺風(fēng)氣旋的內(nèi)部風(fēng)場，由梯度風(fēng)公式進(jìn)行計(jì)算；第二部分是與引導(dǎo)氣流有關(guān)的風(fēng)場，即臺風(fēng)作為一個系統(tǒng)在大氣圈中運(yùn)動產(chǎn)生的移行風(fēng)場或環(huán)境風(fēng)場。所以臺風(fēng)風(fēng)場可表示成：

U=U1+U2，U1代表臺風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場，U2代表臺風(fēng)移行風(fēng)場。

在求解與臺風(fēng)梯度風(fēng)有關(guān)的內(nèi)部風(fēng)場時，針對本文采用的上述理想氣壓場模型，可采用梯度風(fēng)公式計(jì)算得到相應(yīng)的風(fēng)場分布，梯度風(fēng)公式為：

(3)

臺風(fēng)移行風(fēng)場的計(jì)算采用Ueno Takeo的公式為：

(4)

式中：U2x、U2y為臺風(fēng)移行速度在x、y方向上的分量。

綜上得到模型風(fēng)場公式[3]：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Wx、Wy為模型風(fēng)在經(jīng)向和緯向的分量；x、y為格點(diǎn)位置；x0、y0為臺風(fēng)中心位置；ΔP為臺風(fēng)外圍氣壓與中心氣壓差；C1、C2為修正系數(shù)；θ為入射角。

1.3.3 最大風(fēng)速半徑的選取

最大風(fēng)速半徑Rmax是臺風(fēng)氣壓場、風(fēng)場模型中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。Rmax的選取直接影響到風(fēng)場的尺度和風(fēng)速(或氣壓)的分布，即影響到風(fēng)場的真實(shí)性。在本研究中，采用了兩種方法計(jì)算最大風(fēng)速半徑。一種是使用Willoughby和Rahn[11]提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算臺風(fēng)“山竹”的Rmax，并增加了變異系數(shù)CV。因此，

Rmax=CV·51.6·exp(-0.022 3vm+0.028 1φ)

(9)

式中：φ是臺風(fēng)中心的緯度，單位為度，Rmax單位km，vm=vs-vmc，vs是一分鐘最大持續(xù)風(fēng)速，vmc是臺風(fēng)前進(jìn)速度的大小。對于臺風(fēng)“山竹”用測得的風(fēng)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)CV。以下稱用此公式計(jì)算最大風(fēng)速半徑的方法為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。

同時采用在我國比較通用的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Rmax值[12]：

(10)

式中：φ是臺風(fēng)中心的緯度；v0表示臺風(fēng)中心的移動速度，可以通過臺風(fēng)中心位置的變化計(jì)算得到。以下稱用此公式計(jì)算最大風(fēng)速半徑的方法為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。

1.3.4 調(diào)整參數(shù)取值

為了獲取較好的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)場參數(shù)，對影響風(fēng)場模型的參數(shù)——臺風(fēng)外圍氣壓、最大風(fēng)速半徑中的變異系數(shù)CV、入射角以及場風(fēng)系數(shù)C1和梯度風(fēng)系數(shù)C2進(jìn)行取值。調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，對不同公式計(jì)算模擬得到的臺風(fēng)不同時刻的風(fēng)場氣壓場數(shù)據(jù)與機(jī)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，最后對不同的參數(shù)公式組合進(jìn)行測站驗(yàn)證，不斷提出模型參數(shù)的改進(jìn)，與實(shí)際風(fēng)場相擬合后得出最能反映客觀變化的臺風(fēng)氣壓場和風(fēng)場的參數(shù)組合[13]。

1.4 WRF模式

采用的WRF大氣模式是由美國環(huán)境預(yù)測中心(National Centers for Environmental Prediction，簡稱NCEP)和美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，簡稱NCAR)等科研機(jī)構(gòu)中心著手開發(fā)的一種統(tǒng)一的中尺度天氣預(yù)報(bào)模式，因其開源、高效和可擴(kuò)展等眾多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本次數(shù)值試驗(yàn)采用WRF大氣模式來模擬1822號臺風(fēng)山竹，使用版本為V3.7.1。模擬時段為2018年9月15日00時至9月18日00時(共72 h，UTC)。模擬區(qū)域設(shè)置如圖1所示，采用二層嵌套，具體的區(qū)域范圍設(shè)置與模式各物理選項(xiàng)的選取見表1。模式輸出間隔為內(nèi)區(qū)(D2)1 h/次，外區(qū)(D1)3 h/次，由于D2區(qū)分辨率較高，且基本覆蓋了模擬時段的臺風(fēng)路徑，因此對模擬結(jié)果的分析主要依據(jù)D2區(qū)的數(shù)據(jù)輸出。

表1 WRF模式設(shè)置

圖1 WRF模式區(qū)域

本次數(shù)值模擬利用NCEP提供的FNL(Final Analysis Data of Global Forecast System)再分析數(shù)據(jù)(水平分辨率為1°×1°，6 h/次)與NEAR-GOOS日平均海溫?cái)?shù)據(jù)(North-East Asian Regional Global Ocean Observing System，分辨率為0.25°×0.25°)。采用了循環(huán)三維變分3DVAR(3-Dimensional Variational)方法[14-15]同化了常規(guī)地面和探空數(shù)據(jù)。

1.5 SCHISM模式

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格半隱式跨尺度海洋模式SCHISM(semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model)是一個基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的跨尺度水動力學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)的三維模型[22-23]。使用在珠江口構(gòu)建的SCHISM-WWM-SED-3D耦合模式[24]，模擬區(qū)域?yàn)閺V東省南部中心區(qū)域，主要包括伶仃洋、磨刀門河口和黃茅海河口三個河口系統(tǒng)，覆蓋西江、北江、東江和潭江四條主要河流，以及虎門(HM)、蕉門(JM)、洪奇瀝(HQL)、橫門(HEM)、磨刀門(MDM)、雞啼門(JTM)、虎跳門(HTM)和崖門(YM)八大口門。水平方向上為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，包含184 918個三角網(wǎng)格和107 262個節(jié)點(diǎn)，分辨率從5～6 km平滑變化至沿海的2 km，再到珠江口附近增加至550 m，最終在河口內(nèi)達(dá)到平均分辨率為100 m。垂直方向上采用LSC2坐標(biāo)[25]，在水深最淺處(3 m)設(shè)置主網(wǎng)格數(shù)為12層，區(qū)域內(nèi)水深最深處最大設(shè)置為32層。四條河流邊界上，徑流通量數(shù)據(jù)來自中國河流泥沙公報(bào)(2018)[26]。耦合模型的水深數(shù)據(jù)由全球數(shù)據(jù)集和本地?cái)?shù)據(jù)集構(gòu)成。在公海區(qū)域中，采用全球數(shù)據(jù)集General Bathymetric Chart of the Oceans(GEBCO)，其分辨率為0.5弧分。珠江口內(nèi)采用廣東省海事局海測大隊(duì)編制的《珠江航行指南》1～4冊的數(shù)字化水深數(shù)據(jù)。外海開邊界上潮流分量(包含水位及水平流速)考慮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1等8個主要分潮，各個分潮的振幅和遲角由水平分辨率為1/16°的全球潮汐模型FES2014[27]生成并插值得到。開邊界的初始條件及其他非潮汐海洋強(qiáng)迫來自HYCOM 1/12再分析產(chǎn)品，包括不同水深處的海表面高度、水平洋流速度、鹽度和溫度等(表2)。區(qū)域SCHISM模式已在眾多觀測資料的基礎(chǔ)上對圖2所有站位做了充分的校驗(yàn)[24]。

表2 模型邊界和初始條件資料來源

圖2 模式模擬區(qū)域

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 路徑對比分析

圖3為三種模擬方案模擬路徑與中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的臺風(fēng)路徑的對比圖，其中三種模擬方案每個點(diǎn)代表每小時的數(shù)據(jù)，實(shí)測點(diǎn)代表每6個小時的數(shù)據(jù)，模擬時段為2018年9月15日10時至2018年9月17日12時(UTC)，共模擬50小時，該圖僅展示在模擬區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的路徑點(diǎn)。模擬路徑各時間點(diǎn)的位置是根據(jù)模擬結(jié)果中心最低氣壓值確定的。從圖3中可以看出，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬的臺風(fēng)路徑與臺風(fēng)實(shí)測路徑吻合程度好，WRF模式模擬的臺風(fēng)路徑與實(shí)測路徑有些許偏差，主要表現(xiàn)在15日20時之前路徑較實(shí)測偏北，15日20時之后路徑較實(shí)測偏南，且南北方向波動較大。

圖3 臺風(fēng)路徑

2.2 臺風(fēng)中心近地面最低氣壓對比分析

圖4為三種模擬方案下臺風(fēng)中心近地面最低氣壓與中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的最低氣壓的對比圖。

圖4 臺風(fēng)最低氣壓

從圖4中可以看出，三種方案模擬的臺風(fēng)中心最低氣壓與臺風(fēng)中心實(shí)測最低氣壓呈現(xiàn)相同的變化趨勢，其中經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?與實(shí)測數(shù)據(jù)最為接近，而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和 WRF模式與實(shí)測值有些許偏差。表3為三種模擬方案與實(shí)測最低氣壓的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差。從表中可以看出，三種模擬方案模擬的臺風(fēng)中心最低氣壓與實(shí)測值相關(guān)性都很高，其中經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?與實(shí)測的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99，相關(guān)性最高，且均方根誤差最低，模擬精確程度高。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?比WRF的相關(guān)性稍高一些，但同時模擬誤差也稍大一些。

表3 臺風(fēng)最低氣壓對比

2.3 近臺風(fēng)中心最大風(fēng)速對比分析

圖5為三種模擬方案下近臺風(fēng)中心2 min最大平均風(fēng)速與中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的最大風(fēng)速的對比圖。

圖5 臺風(fēng)最大風(fēng)速

從圖5中可以看出，三種方案模擬的最大風(fēng)速與實(shí)測最大風(fēng)速呈現(xiàn)基本相同的變化趨勢。WRF模式模擬效果最好，其模擬值和變化趨勢與實(shí)測最為接近。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?風(fēng)速過程變化較為平緩，在前期與實(shí)測值比偏低，后期逐漸達(dá)到與實(shí)測值相同水平。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的模擬風(fēng)速變化趨勢相對來說較為陡峭，前期較實(shí)測值偏高，后期偏低，中間風(fēng)速值陡降。表4為三種模擬方案與實(shí)測最大風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差。從表中也可以看出，WRF模式模擬的最大風(fēng)速值與實(shí)測值相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98，且均方根誤差最小。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的相關(guān)性和均方根誤差都差不多。所以從模擬臺風(fēng)強(qiáng)度上來看，WRF模式模擬效果最佳，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的模擬效果相差不大。

表4 臺風(fēng)最大風(fēng)速對比

2.4 臺風(fēng)風(fēng)壓場模擬結(jié)果

對于1822號臺風(fēng)“山竹”的風(fēng)壓場模擬，取9月15日10:00至9月17日12:00(UTC)每隔1小時的數(shù)據(jù)作為風(fēng)壓場模擬對象，分別采用WRF模式和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、2進(jìn)行計(jì)算。三種模擬方案模擬的結(jié)果顯示，15日12時臺風(fēng)“山竹”中心位于距離廣東省東偏南方向的南海東北部海面上，并向西偏北方向移動，繼續(xù)向廣東沿?？拷?。16日9時(UTC)臺風(fēng)中心整體移動到陸地上，臺風(fēng)“山竹”在廣東臺山海宴鎮(zhèn)附近登陸。

為了便于比較，選取三個有代表性的時刻9月15日20:00、9月16日02:00和9月16日09:00(UTC)，由圖6可見，前期WRF模式與兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M的臺風(fēng)“山竹”中心位置有所偏差，具體表現(xiàn)為WRF模式模擬的臺風(fēng)中心落后于兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M結(jié)果。但9月16日1:00以后，隨著 臺風(fēng)“山竹”逐漸逼近珠江口地區(qū)，三種模擬方法模擬出的臺風(fēng)“山竹”中心趨于一致，且模擬出的臺風(fēng)形態(tài)較為相似。對比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的模擬結(jié)果可見，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬的臺風(fēng)風(fēng)場有風(fēng)矢量的異常突變，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬的臺風(fēng)風(fēng)場更為規(guī)整。從三種方案模擬的氣壓值來看，WRF模式與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?相差不大，而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬的氣壓值相對偏大。

圖6 臺風(fēng)“山竹”風(fēng)壓場模擬結(jié)果

3 臺風(fēng)模擬風(fēng)壓場與觀測站點(diǎn)資料的比較分析

選取香港國際機(jī)場、澳門國際機(jī)場和深圳寶安機(jī)場三個機(jī)場站點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，與上文通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和WRF模式模擬出的臺風(fēng)“山竹”的氣壓場、風(fēng)場分別進(jìn)行對比。從圖7中可以看出，三種方法模擬的氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向過程趨勢都與實(shí)測值較為吻合。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和WRF模式的模擬結(jié)果在各個站點(diǎn)均可較好的捕捉到氣壓最低值，而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬的氣壓最低值結(jié)果明顯偏大且氣壓過程整體相較于實(shí)測結(jié)果及WRF模式偏大。WRF模式在前期模擬風(fēng)速值比實(shí)測值偏低，后期與實(shí)測值逐漸吻合。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬風(fēng)速值前期與實(shí)測值較吻合，中后期明顯偏大。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?風(fēng)速變化過程較為平滑，前期普遍高于實(shí)測值，后期略低于實(shí)測值?？偟膩碚f，WRF模式在氣壓場和風(fēng)場的模擬結(jié)果上與實(shí)測值最為接近且過程趨勢最為符合。

表5、6、7分別表示各站點(diǎn)臺風(fēng)“山竹”氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向?qū)崪y值和三種方法模擬值的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差。數(shù)據(jù)顯示，在氣壓場模擬中，三種方案在三個站點(diǎn)的模擬結(jié)果與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)都很高，均大于0.92，其中經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬相關(guān)性最高，但是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的均方根誤差也最大，模擬精確度不如另外兩種方案。在三個站點(diǎn)的風(fēng)速模擬中，WRF模式與實(shí)測的相關(guān)系數(shù)最高，均方根誤差相對較低，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的相關(guān)性也不錯，相關(guān)系數(shù)均能達(dá)到0.71以上。三個站點(diǎn)的風(fēng)向模擬值與實(shí)測值的相關(guān)性很大，相關(guān)系數(shù)均高達(dá)0.92。其中WRF模式均方根誤差最小，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的均方根誤差比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?小?？傊?，三種模擬方法在各個站點(diǎn)分別與氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向?qū)崪y過程的對比表明，通過WRF模式、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?構(gòu)造的氣壓場、風(fēng)場均能夠重現(xiàn)臺風(fēng)“山竹”過程中的主要?dú)庀筇卣鳌?/p>

表5 臺風(fēng)氣壓模擬結(jié)果對比

表6 臺風(fēng)風(fēng)速模擬結(jié)果對比

表7 臺風(fēng)風(fēng)向模擬結(jié)果對比

4 臺風(fēng)“山竹”風(fēng)暴增水?dāng)?shù)值檢驗(yàn)

臺風(fēng)會帶來風(fēng)暴潮增水且危害巨大，隨著對風(fēng)暴潮模擬研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)在眾多影響因素中，臺風(fēng)風(fēng)場是風(fēng)暴潮最直接的驅(qū)動力，也就是風(fēng)暴潮模擬精度受臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場的精確度影響較大[28]。英國 Heaps[29]指出輸入的氣象資料的質(zhì)量在一定程度上決定了風(fēng)暴潮模擬的準(zhǔn)確性，王喜年[10]的研究結(jié)果也表明，臺風(fēng)風(fēng)暴潮的模擬精確程度和海面風(fēng)場以及氣壓場的數(shù)據(jù)密切相關(guān)?；谠谥榻跇?gòu)建的SCHISM-WWM-SED-3D耦合模式，分別將實(shí)測風(fēng)場、兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M的風(fēng)場以及WRF大氣模式模擬的風(fēng)場作為驅(qū)動風(fēng)場輸入風(fēng)暴潮模式中，進(jìn)行風(fēng)暴增水模擬試驗(yàn)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团cWRF大氣模式模擬臺風(fēng)“山竹”的可行性并比較不同方案重構(gòu)風(fēng)場的優(yōu)劣。

選取赤灣、三灶、橫門和黃埔測站(圖2中H1—H4)作為分析點(diǎn)位。從圖8這4個增水過程可以清楚地看出，由WRF模式模擬得到的增水曲線要比兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出的增水曲線更加符合實(shí)際增水，但在其最大增水時刻，WRF模式計(jì)算得到的結(jié)果普遍低于實(shí)際增水。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?計(jì)算得到的增水在黃埔站比實(shí)際增水要大，而在橫門、赤灣、三灶三個站均低于實(shí)際增水，且在三灶站達(dá)到與實(shí)際相比的最低水平。同時經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?計(jì)算得到的最大增水值在時間相位上均落后于實(shí)際最大增水值。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?計(jì)算得到的增水值在四個站點(diǎn)均小于實(shí)測值，從之前的模擬的氣壓和風(fēng)速值來看，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?就明顯偏小于實(shí)際值，而風(fēng)應(yīng)力是風(fēng)暴潮增水最主要的動力因子，因此由經(jīng)驗(yàn)式(2)計(jì)算出的風(fēng)暴潮增水偏低。

圖8 風(fēng)暴潮增水過程

臺風(fēng)“山竹”期間對應(yīng)測站的增水模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差如表8所示。WRF模式在四個站點(diǎn)的增水模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)均能達(dá)到0.91以上，相關(guān)性較高，且WRF模式相對于其他兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途礁`差最小，模擬精度較高。在黃埔、橫門、赤灣三站，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的模擬相關(guān)性高，除橫門外，其他兩站經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?的均方根誤差也小于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。在三灶站，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?與實(shí)測值的相關(guān)性比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透咔揖礁`差更小。對于4個站點(diǎn)的增水過程，總體上WRF模式的模擬結(jié)果比兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃谩?/p>

表8 風(fēng)暴潮增水模擬結(jié)果對比

5 結(jié) 語

利用WRF大氣模式和兩種臺風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M了我國珠江口地區(qū)的臺風(fēng)“山竹”，提取了多個模擬風(fēng)壓場參數(shù)與實(shí)測歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，討論了三種模擬方案模擬臺風(fēng)“山竹”的可靠性以及運(yùn)用于風(fēng)暴增水的準(zhǔn)確性。得到了以下的結(jié)論：

通過 WRF 模式和兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從路徑、最大風(fēng)速、最低氣壓以及風(fēng)壓場的分析對比可以看出，三種方案的模擬結(jié)果總體與實(shí)際都接近，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬的臺風(fēng)路徑與臺風(fēng)中心近地面最低氣壓值與實(shí)測結(jié)果吻合度較WRF模式要好一些，而WRF模式模擬的最大風(fēng)速值與實(shí)測值結(jié)果最接近。同時選取了香港國際機(jī)場、澳門國際機(jī)場和深圳寶安機(jī)場三個機(jī)場站位的實(shí)測氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向值與三種模擬方案風(fēng)壓場模擬值進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，三種模擬方案均取得不錯的模擬結(jié)果，綜合來看WRF模式的模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合最好，臺風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?次之。

利用WRF模式和兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M到的臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場作為原始驅(qū)動條件，分別驅(qū)動珠江口水動力模型運(yùn)行，進(jìn)一步比較了他們在赤灣、三灶、橫門和黃埔四個測站風(fēng)暴潮增水計(jì)算中的各自效果。對比發(fā)現(xiàn)，三種方案均能較好地模擬出增水過程，WRF模式模擬的增水過程與實(shí)測結(jié)果最接近，但在其最大增水時刻，WRF模式計(jì)算得到的結(jié)果均低于實(shí)際最大增水。

通過WRF大氣模式和兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M得到的臺風(fēng)“山竹”風(fēng)壓場均取得較好的模擬結(jié)果，綜合來看其中WRF大氣模式模擬效果最佳，如果進(jìn)一步優(yōu)化WRF大氣模式的各種參數(shù)化方案，可能還能提高其精度。如果不具備使用WRF大氣模式的條件，臺風(fēng)經(jīng)驗(yàn)1模型也是一個完全可以接受的、簡單快捷的方案。考慮到一般臺風(fēng)氣壓場為非對稱圓形氣壓場，所以今后的研究可嘗試采用非對稱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M改進(jìn)臺風(fēng)氣壓場。還可以通過模擬其它更多臺風(fēng)，來進(jìn)一步驗(yàn)證三種模擬方案的適應(yīng)性和有效性。